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攻克复杂地层钻进“拦路虎”

——中国地质科学院探矿工艺研究所研发套管钻进技术纪实

来源:中国矿业报 作者:王琼杰 发布时间:2016-12-13

复杂地层钻探因其地层稳定性差,钻孔垮塌、掉块、缩径和超径等钻进故障非常普遍,严重影响着钻探工程质量和钻探效率。破解这一难题,服务地调主战场,成为了地勘单位尤其是钻探工艺研究单位苦苦追求的目标。

现如今,地质调查项目成果报告——川东州河流域地质灾害调查与防治示范(原项目名称:套管钻进技术在西部地区成矿带找矿中的应用示范)成果报告的提交,标志着我国在复杂地层钻探技术方面取得了重大突破,也意味着向深地进军又增加了一把利器。

复杂地层钻进究竟难在哪?中国地质科学院探矿工艺研究所又是如何依靠科技创新来攻克这一难题的呢?近日,中国矿业报记者专门赶赴西南重镇成都,进行了实地采访。

复杂地层:钻进的“老大难”

长期以来,复杂地层钻进难问题一直困扰着我国的地质勘查工作。

“套管护壁是缓解复杂地层钻进的有效措施,但传统的套管护壁工艺的有效性是建立在对地层全面了解的基础上,设计复杂的(多层套管)钻孔结构。”中国地质科学院探矿工艺研究所所长胡时友介绍,地质钻探属于探索性工作,实际与设计往往不相符。施工中,由于复杂地层的深度和厚度的不可预见性,裸孔钻进很难有效穿越复杂地层,即使钻穿地层,提钻和下套管过程中,钻孔垮塌等故障难免,导致套管难下至有效孔深。

实际上,在石油钻井行业,套管钻进技术早就开始推广应用。早在20世纪50年代,国外石油企业就有了套管钻井的设想,但受当时技术装备条件限制而未能实现。20世纪90年代,随着新技术、新工艺、新材料、新方法等的大力推广应用,套管钻井技术逐渐发展成熟,并在国外石油钻井工程中广泛应用。

多年来一直致力于钻探工艺研究的中国地质科学院探矿工艺研究所教授级高级工程师吴金生说,石油钻井行业称的套管钻井和地质勘探行业称的套管钻进其实是一回事。套管钻井是石油钻井行业现代发展的一种全新的钻井技术,其实质是采用套管代替传统钻杆柱传递机械能量和水力能量,驱动井底钻具旋转钻进。钻井施工中,无需起下钻,而是通过套管柱的内通道,利用钢绳投捞更换井下钻具,实现边钻边下套管。完钻后提出井底钻具,套管柱则留在井内作为完井套管。

直到2007年,我国吉林油田、大庆油田、大港油田、中国石油集团公司钻井研究院和管材研究所5个单位联合开展国家863项目 “套管钻井技术”的研究,成功研究了“转盘钻井驱动方式的浅开发井套管钻井工具配套系统”,完成了46口井的现场应用,最大钻进井深1000米。

“该术将钻进和下套管两道工序合并成一个作业工序,无需起下钻作业,采用随钻下套管方法把井下复杂问题减小到最低程度。与传统钻井方法相比,套管钻井具有明显的优势,是钻井工程的一次技术性革命,能为油田经营者带来巨大的经济效益。”吴金生介绍。

然而,这些国内外套管钻井,均属于石油钻井行业领域的套管钻井技术,普遍不具备连续采取岩心能力,而且钻具(钻井)直径较大,在套管直径小于某一标准的情况下,难以实现不提钻更换井底钻具,不适用于地质勘探领域的岩心钻探。

“而地质勘探套管钻进是借鉴石油钻井行业的套管钻井技术,结合岩心钻探特点,例如地层较复杂且软硬悬殊、全孔采集岩心、钻孔直径较小、钻头寿命较短、起下钻频繁等,在绳索取心钻进技术的平台上,提出的一种钻探新方法,其目的是采用随钻下套管工艺,有效钻穿地层,为下部钻孔施工创造良好条件。”川东州河流域地质灾害调查与防治示范项目负责人钱锋说。

事实上,对小直径钻孔的套管钻进技术,国外也早就有所研究,但并没有取得成功。

“与套管钻进技术的核心技术相关的不提钻换钻头钻进技术,澳大利亚、俄罗斯、美国等国曾进行大量研究,但普遍属于探索性研究,大多处于室内研究试验阶段。其中,澳大利亚Mindrill Limite,上世纪70年代中期研究的楔顶式不提钻换钻头钻具,曾在进行试钻,总进尺约17000米,但因扩孔翼部位漏水量较大、收缩机构容易卡死、瞄向定位不完善、钻进可靠性差等结构缺陷,钻具进一步试钻中断。”吴金生说。

该技术在我国的研究推广也是一波三折。早在上世纪80年代,中国地质科学院探矿工艺研究所研究的BH-75不提钻换钻头钻具,在国内钻探中实现了不提钻换钻头取心钻进。该技术在数十个地勘单位推广应用,取得了较好的钻进效果和经济效益。但由于钻具关键部位存在结构缺陷,仅局限于较完整的地层中使用,其换钻头性能在复杂地层中不稳定,加之钻探成本较高,影响了该技术的推广应用。

到上世纪90年代初,该所与内蒙古地矿局合作,采用不提钻换钻头钻具,在“内蒙白音若复杂地层综合治理”中,曾进行套管取心钻进的探索,初步证明原理可行,后因经费问题,探索工作中断。直到2011年~2012年,该所承担“地质勘探套管钻进技术研究”项目,研究的114毫米套管钻进技术,在龙岩马坑铁矿区石岩坑ZK9501孔进行了试验,首次在钻探工程中实现套管钻进,取得了较好的套管钻进效果。

“尤其是近年来,随着找矿突破战略行动的推进,国内一批地勘单位在岩心钻探工程中,由于经常遇到复杂地层,成孔非常困难,先后多次到我所咨询关于用不提钻换钻头技术进行套管钻进的相关事宜,使我们下定决心,一定要啃下这块‘硬骨头’!”胡时友说。

科研先行:打通最后“一公里”

国内外石油企业套管钻井技术的成功应用,以及多年来自身对小直径套管钻进技术的持续研究,使该所对此技术有着更深刻的认识:依托地调项目,依靠科技创新,加强科技攻关,突破关键障碍,打通最后“一公里”!

“地质勘探套管钻进的实质是,采用套管代替绳索钻杆传递机械能,带动孔底套管取心钻具回转钻进,同时作为输送泥浆的通道;采用绳索取心基本原理,进行不提钻换钻头取心钻进,钻至预定孔深,打捞出孔底取心钻具,将套管柱留在孔内保护孔壁,完成套管钻进作业。”吴金生介绍,地质勘探套管钻进同时具备了套管钻井的优越性,通过不提钻换钻头取心钻进技术途径,摆脱传统的起下钻工序,实现随钻下套管,可提高纯钻进时间比例,避免因频繁起下钻导致的孔内事故及其事故隐患,降低劳动强度,改善钻探施工环境,实现快速、有效穿越复杂地层。

“为实现套管钻进,需要在绳索取心钻进技术的平台上,研究开发可代替绳索钻杆的套管,研究可实现不提钻换钻头的绳索取心钻具—套管取心钻具,研究完善配套器具,集成研究套管钻进工艺,形成完善的套管钻进技术体系。”吴金生说。

2013年~2015年,该所的套管钻进技术在四川若尔盖铀矿整装勘查区进行了3次生产试验和应用,经受了“五毒俱全”(孔壁易垮塌和掉块、坚硬与软地层频繁换层、裂隙发育、漏失、易斜、取心困难等)复杂地层、斜孔、浓泥浆等恶劣钻进工艺条件的考验,满足但不限于复杂地层套管钻进的要求,具备岩心钻探实用性。2013年在zk3-1孔创造了国内复杂地层岩心钻探106米(10天)不提钻的纪录;2015年在zk12-1孔,又打破上述纪录,将复杂地层岩心钻探不提钻纪录提高至126米(17天),试验和应用的钻探效率、取心质量、孔斜指标等综合钻进效果良好,获得施工单位的高度评价。

“项目研究开发的114毫米和91毫米套管钻进技术,基本覆盖我国套管护壁的常用口径规格。以不提钻换钻头取心钻进,实现随钻下套管,有效穿越复杂地层。并具备随时针对具体地层优化钻头使用方案、钻孔防斜、改善钻探施工环境和降低劳动强度等技术优势,通过有效保证岩心钻探质量和提高钻探效率,为复杂地层岩心钻探提供快速有效的套管钻进技术。”吴金生表示。

与此同时,在2013年~2015年间,中国地质调查局地调资金资助的川东州河流域地质灾害调查与防治示范(原项目名称:套管钻进技术在西部地区成矿带找矿中的应用示范)项目,又为该所进一步完善提高套管钻进技术提供了平台。

该项目的总体目标是,开展套管钻进技术研究,形成一套实用的地质勘探套管钻进技术体系。主要任务是,研究完善114毫米套管钻进技术,提高其可靠性和钻探实用性;开展91毫米套管钻进技术研究,包括取心钻具、高强度套管、配套器具和系统配套集成研究;研究地质勘探套管钻进工艺,编制套管钻进工艺规程;开展套管钻进生产试验和应用示范;套管钻进技术经济效果分析研究。

“该项目是我们所在已结题地质调查工作项目‘地质勘探套管钻进技术研究’成果技术的基础上,针对复杂地层钻探的客观影响因素、钻进故障特征和传统套管护壁技术的工艺缺陷,开展套管钻进技术的应用研究,主要用于(但不限于)解决复杂地层岩心钻探长期、普遍存在的钻探效率低、钻探成本高等技术难题。”胡时友说。

据了解,该所通过3年的工作,获得了一种系统完善、实用的地质勘探套管钻进技术,提出了具有自主知识产权的套管取心钻进方法;主要口径规格有114毫米和91毫米两种,基本覆盖和满足岩心钻探的常用套管(护壁)口径规格;通过复杂地层和恶劣钻进工艺条件的考验,套管钻进技术满足地质勘探复杂地层套管钻进工艺技术要求;为复杂地层岩心钻探提供了有效的钻进方法。

“该技术的核心是在复杂地层和恶劣钻探工艺条件下,如何实现不提钻换钻头取心钻进。围绕这一技术思路,我们主要围绕不提钻取心钻进的专用套管取心钻具、满足钻进用的高强度套管等关键技术,加强科技攻关,并结合复杂地层开展套管钻进生产试验和应用示范,研究制定地质勘探套管钻进工艺规程。”钱锋说。

当谈到该项目的主要创新点时,胡时友如数家珍地说,提出和研究了一种全新的岩心钻探方法——地质勘探套管钻进技术,填补了该技术领域的空白,为有效穿越复杂地层提供了一种实用、优质、高效、环境友好(改善施工环境、降低劳动强度)的钻探新方法;研究出了一种实施套管钻进的孔内钻进装置——套管取心钻具,使钻具能在复杂地层和恶劣钻进工艺条件下,保持稳定的不提钻换钻头取心钻进功能;研究出来一种具有双重使用功能的套管。该项目获得实用性专利1项,申请发明专利1项,发表论文2篇。

突破瓶颈:应用前景广阔

众所周知,地质勘探钻进经常遭遇复杂地层,我国西部地区尤为突出。这类地层稳定性差,采用普通的钻进方法,钻孔经常出现故障,进而容易导致卡钻、埋钻、断钻杆等孔内事故,钻探施工非常困难,普遍存在岩心质量差和钻进效率低的问题,影响地质勘探进度。

“目前许多地勘单位仍然普遍使用传统的‘先钻裸孔,再下套管’隔离钻孔的方法保护孔壁。钻裸孔就比较困难,钻穿难以准确预测深度和厚度的复杂地层更是难上加难。即使裸孔达到预定孔深,由于提钻产生的抽吸和下套管对孔壁的擦刮作用,钻孔孔壁坍塌、掉块、缩径等孔内故障难免。所以,也难保套管能下到预定孔深或穿过预定复杂地层,裸孔穿过而套管难以穿过复杂地层的情况仍然非常普遍。”钱锋分析说,国内数百家地质勘探单位,在地质勘探中,均不同程度地钻遇复杂地层,上述钻进技术难题均普遍存在而至今尚未有效解决。国内复杂地层岩心工作量较大,岩心钻探界一直期盼在钻探工程中实现套管取心钻进,以解决复杂地层钻进技术难题。

2013年,该所的套管钻进技术在复杂地层试验成功,立即引起了业内的极大关注,许多地勘单位慕名前来取经学习。

“套管钻进的技术优势主要体现在以下五个方面:适用于复杂地层和恶劣工艺条件;摆脱频繁的起下钻辅助工艺,提高纯钻时间利用率,提高钻探效率;维护钻孔安全施工,可快速、有效穿越复杂地层;及时优化钻头使用方案,提高钻头使用效果;避免工程因素丢失岩心,提高岩心采取率。”钱锋说。

然而,作为一种新的勘探钻进技术,套管钻进技术还存在诸多完善提高的地方。钱锋举例说,由于泥浆在套管内壁结泥皮,对打捞取心钻具有一定影响。而该问题单从钻具结构上只能减缓,不能从根本上解决,需要结合泥浆工艺、设计专门的除泥皮工具解决。同时,采用的专用套管,必须具备绳索钻杆的能力,而当前的套管不能满足钻进要求,必须制造和采用专用套管,这必将影响推广使用。今后在开发中,将基于普通绳索钻杆,开展套管钻进技术的推广应用研究。

但不管怎样,该所研发的套管钻进技术,在开始向复杂地层进军的同时,也拉开了向深地拓展的序幕。套管钻进技术,前景可期!